Ядерний поділ і синтез

Ядерний синтез і ядерного поділу - це різні типи реакцій, які виділяють енергію внаслідок наявності потужних атомних зв'язків між частинками, виявленими всередині ядра. При поділі атом розщеплюється на два чи більше менших, більш легких атомів. Злиття, навпаки, відбувається, коли два чи більше менших атомів зливаються разом, створюючи більший, важчий атом.

Порівняльна діаграма

Таблиця порівняння ядерного поділу проти ядерного синтезу

	Ядерний поділ	Ядерний синтез
Визначення	Фісія - це розщеплення великого атома на два чи більше менших.	Злиття - це злиття двох або більше легших атомів у більший.
Природне виникнення процесу	Реакція поділу в природі зазвичай не відбувається.	Злиття відбувається в зірках, таких як сонце.
Побічні продукти реакції	У результаті поділу утворюється багато високо радіоактивних частинок.	Мало радіоактивних частинок утворюється шляхом реакції синтезу, але якщо використовувати "тригер" поділу, то від цього вийде радіоактивні частинки.
Умови	Потрібна критична маса речовини та швидкісні нейтрони.	Потрібно середовище високої щільності, високої температури.
Потреба в енергії	Займає мало енергії, щоб розділити два атоми в реакції поділу.	Надзвичайно висока енергія потрібна для наближення двох або більше протонів, щоб ядерні сили подолали їх електростатичне відштовхування.
Випущена енергія	Енергія, що виділяється при поділі, в мільйон разів більша, ніж енергія, що виділяється при хімічних реакціях, але нижча за енергію, виділену в результаті ядерного синтезу.	Енергія, що виділяється при синтезі, в три-чотири рази більше, ніж енергія, що виділяється при поділі.
Ядерна зброя	Один клас ядерної зброї - це бомба, що ділиться, також відома як атомна бомба або атомна бомба.	Один клас ядерної зброї - це воднева бомба, яка використовує реакцію поділу для «запуску» реакції синтезу.
Виробництво енергії	Ділення використовується на атомних електростанціях.	Fusion - це експериментальна технологія виробництва енергії.
Паливо	Уран - основне паливо, яке використовується в електростанціях.	Ізотопи водню (дейтерій і тритій) є основним паливом, що використовується на експериментальних термоядерних електростанціях.

Зміст: ядерний поділ і синтез

• 1 Визначення
• 2 Фізика проти фізики синтезу
  • 2.1 Умови поділу та синтезу
  • 2.2 Ланцюгова реакція
  • 2.3 Коефіцієнти енергії
• 3 Використання ядерної енергії
  • 3.1 Побоювання
  • 3.2 Ядерні відходи
• 4 Природні виникнення
• 5 Ефекти
• 6 Використання ядерної зброї
• 7 Вартість
• 8 Список літератури

Визначення

Злиття дейтерію з тритієм створює гелій-4, звільняючи нейтрон і виділяючи 17,59 МеВ енергії.

Ядерний синтез - це реакція, в якій два або більше ядер поєднуються, утворюючи новий елемент з більшим атомним числом (більше протонів у ядрі). Енергія, що виділяється при синтезі, пов'язана з E = mc ² (Знамените рівняння енергії-маси Ейнштейна). На Землі найбільш вірогідною реакцією синтезу є реакція Дейтерій-Тритій. Дейтерій і тритій - ізотопи водню.

² ₁Дейтерій + ³ ₁Тритій = ⁴₂Він + ¹₀н + 17.6 МеВ

[Зображення: Fission-Reaction.svg | thumb | none | Fission Reaction]]

Ядерне поділ - це розщеплення масивного ядра на фотони у вигляді гамма-променів, вільних нейтронів та інших субатомних частинок. У типовій ядерній реакції, що бере участь ²³⁵U і нейтрон:

²³⁵₉₂U + н = ²³⁶₉₂U

слідом за ним

²³⁶₉₂U = ¹⁴⁴₅₆Ба + ⁸⁹ ₃₆Кр + 3н + 177 МеВ

Фізика проти фізики синтезу

Атоми утримуються двома з чотирьох фундаментальних сил природи: слабкі та сильні ядерні зв’язки. Загальна кількість енергії, що знаходиться у зв’язках атомів, називається енергією зв’язку. Чим більше енергії зв’язку утримується в межах зв’язків, тим стабільніше атом. Більше того, атоми намагаються стати більш стабільними, збільшуючи свою енергію зв’язку.

Нуклон атома заліза є найбільш стійким нуклоном, що зустрічається в природі, і він ні зливається, ні розщеплюється. Ось чому залізо знаходиться на вершині кривої енергії зв’язування. Для атомних ядер, легших за залізо і нікель, енергію можна отримати поєднання ядра заліза і нікелю разом шляхом ядерного синтезу. На відміну від цього, атомні ядра, важчі за залізо чи нікель, енергію можуть вивільняти розщеплення важкі ядра шляхом ядерного поділу.

Поняття про розщеплення атома виникла з роботи британського фізика Ернеста Резерфорда, що народився в Новій Зеландії, що також призвело до відкриття протона.

Умови для поділу та синтезу

Розділення може відбуватися лише у великих ізотопах, які містять більше нейтронів, ніж протонів у своїх ядрах, що призводить до дещо стабільного середовища. Хоча вчені ще не повністю розуміють, чому ця нестабільність настільки корисна для поділу, загальна теорія полягає в тому, що велика кількість протонів створює сильну відштовхувальну силу між ними і що занадто мало або занадто багато нейтронів створюють "прогалини", які спричиняють ослаблення ядерний зв’язок, що веде до розпаду (випромінювання). Ці великі ядра з більшою кількістю "прогалин" можуть бути "розщеплені" при впливі теплових нейтронів, так звані "повільні" нейтрони.

Умови повинні бути правильними, щоб відбулася реакція поділу. Щоб ділення було самостійким, речовина повинна досягати критичної маси, необхідної мінімальної маси; недостача критичної маси обмежує тривалість реакції на прості мікросекунди. Якщо критична маса буде досягнута занадто швидко, тобто занадто багато нейтронів виділяється за наносекунди, реакція стає чисто вибуховою, і не відбудеться потужне вивільнення енергії.

Ядерні реактори - це переважно керовані системи поділу, які використовують магнітні поля для утримання бродячих нейтронів; це створює приблизно 1: 1 відношення вивільнення нейтронів, тобто один нейтрон виникає при впливі одного нейтрона. Оскільки це число буде змінюватися в математичних пропорціях, за відомим як Гауссова розподіл, магнітне поле повинно підтримуватися для функціонування реактора, а контрольні стрижні повинні використовуватися для уповільнення або прискорення активності нейтронів.

Злиття відбувається, коли два більш легких елемента примусово поєднуються з величезною енергією (тиском і теплом), поки вони не зливаються в інший ізотоп і не звільняють енергію. Енергія, необхідна для початку реакції синтезу, настільки велика, що для отримання цієї реакції потрібен атомний вибух. Однак, як тільки починається синтез, він теоретично може продовжувати виробляти енергію до тих пір, поки він контролюється і постачаються основні плавкі ізотопи..

Найпоширеніша форма синтезу, яка виникає у зірок, називається "D-T fusion", маючи на увазі два ізотопи водню: дейтерій та тритій. Дейтерій має 2 нейтрони, а тритій - 3, більше, ніж протон водню. Це робить процес синтезу простішим, оскільки потрібно подолати лише заряд між двома протонами, оскільки для злиття нейтронів і протона необхідне подолання природної відштовхувальної сили заряджених частинок (протони мають позитивний заряд порівняно з відсутністю заряду нейтронів ) і температура - на мить - близько 81 млн. градусів за Фаренгейтом для синтезу ДТ (45 мільйонів Кельвінів або трохи менше за Цельсієм). Для порівняння, температура в сонці сонця становить приблизно 27 мільйонів F (15 мільйонів C).^[1]

Як тільки ця температура буде досягнута, отриманий синтез повинен міститися досить довго, щоб створити плазму, один з чотирьох станів речовини. Результатом такого стримування є вивільнення енергії з реакції D-T, генерування гелію (благородного газу, інертного до кожної реакції) та запасних нейтронів, ніж може «засіяти» водень для більшої кількості реакцій синтезу. В даний час не існує безпечних способів викликати початкову температуру плавлення або стримувати реакцію плавлення для досягнення стійкого стану плазми, але зусилля тривають.

Третій тип реактора називається реактором розведення. Це працює за допомогою поділу для створення плутонію, який може висівати або служити паливом для інших реакторів. У Франції широко використовуються заводські реактори, але вони надмірно дорогі і потребують значних заходів безпеки, оскільки вихід цих реакторів може бути використаний і для виготовлення ядерної зброї.

Ланцюгова реакція

Ядерні реакції поділу та синтезу є ланцюговими реакціями, тобто одна ядерна подія викликає хоча б одну ядерну реакцію, і, як правило, більше. Результатом є зростаючий цикл реакцій, який може швидко стати неконтрольованим. Цей тип ядерної реакції може бути декількома розщепленнями важких ізотопів (напр. ²³⁵ U) або злиття легких ізотопів (напр. ²Н і ³H).

Ланцюгові реакції ділення трапляються, коли нейтрони бомбардують нестабільні ізотопи. Цей тип «удару і розсіювання» процесу важко контролювати, але початкові умови досягти порівняно просто. Ланцюгова реакція синтезу розвивається лише в умовах надзвичайного тиску та температури, які залишаються стабільними завдяки енергії, що виділяється в процесі синтезу. І початкові умови, і стабілізаційні поля дуже важко виконати за допомогою сучасних технологій.

Коефіцієнти енергії

Реакції синтезу виділяють у 3-4 рази більше енергії, ніж реакції поділу. Незважаючи на те, що не існує систем плавлення на основі Землі, вихід сонця є типовим для отримання енергії синтезу, оскільки він постійно перетворює ізотопи водню в гелій, випромінюючи спектри світла і тепла. Розділення виробляє свою енергію, розбиваючи одну ядерну силу (сильну) і вивільняючи величезну кількість тепла, ніж використовується для нагрівання води (в реакторі), а потім для отримання енергії (електроенергії). Fusion долає 2 ядерні сили (сильні і слабкі), і виділена енергія може бути використана безпосередньо для живлення генератора; тому не тільки виділяється більше енергії, але й можна використовувати для більш прямого застосування.

Використання ядерної енергії

Перший експериментальний ядерний реактор для виробництва енергії почав функціонувати в річці Крейк в Онтаріо в 1947 р. Перший атомний енергетичний комплекс в США, експериментальний заводчик-реактор-1, був запущений незабаром після цього, в 1951 році; він міг запалити 4 лампочки. Через три роки, у 1954 році, США запустила свою першу ядерну підводну лодку, США. Nautilus, а США запустили перший у світі ядерний реактор для широкомасштабного виробництва електроенергії, в Обнінську. Через рік США відкрив свій завод з виробництва ядерної енергії, освітлюючи Арко, штат Айдахо (поп. 1000)..

Першим комерційним об'єктом для виробництва енергії з використанням ядерних реакторів був завод Calder Hall у Віндскелі (нині Селлафілд), Великобританія. Це було також місце першої ядерної аварії в 1957 році, коли спалахнула пожежа через витоки радіації.

Перша масштабна атомна станція в США відкрилася в Шиппорт, штат Пенсильванія, в 1957 р. У період з 1956 по 1973 рік в США було запущено майже 40 ядерних реакторів з виробництва електроенергії, найбільшим - це блок 1 Сіонської атомної електростанції в штаті Іллінойс, потужність 1155 мегават. Жоден інший замовлений реактор з того часу не з'явився в мережі, хоча інші були запущені після 1973 року.

Французи запустили свій перший ядерний реактор "Фенікс", здатний виробляти 250 мегават енергії, в 1973 році. Найпотужніший енерговиробляючий реактор в США (1315 МВт) відкрився в 1976 році на Троянській електростанції в Орегоні. До 1977 року в США працювали 63 атомні електростанції, що забезпечувало 3% енергетичних потреб країни. Ще 70 років планували вийти в Інтернет до 1990 року.

Блок другий на острові Три милі зазнав часткового занепаду, викинувши в навколишнє середовище інертні гази (ксенон та криптон). Антиядерний рух набрав сили завдяки побоюванням, які викликав інцидент. Побоювання ще більше розпалилися в 1986 році, коли блок 4 на заводі на Чорнобильській АЕС в Україні зазнав бурхливої ​​ядерної реакції, яка вибухнула об'єктом, поширивши радіоактивні матеріали по всій території та значній частині Європи. Протягом 90-х років Німеччина та особливо Франція розширювали свої атомні станції, зосереджуючись на менших і, таким чином, більш контрольованих реакторах. Китай запустив свої перші 2 ядерні установки в 2007 році, виробляючи загалом 1866 МВт.

Хоча ядерна енергетика займає третє місце після видобутку вугілля та гідроенергетики за загальновиробничою потужністю, поштовх до закриття ядерних установок у поєднанні зі збільшенням витрат на будівництво та експлуатацію таких установок створив відмову від використання ядерної енергії для енергетики. Франція лідирує в світі за відсотком електроенергії, виробленої ядерними реакторами, але в Німеччині сонячна енергія випереджає ядерну енергію як виробника енергії.

У США все ще працює понад 60 ядерних установок, але ініціативи виборчого бюлетеня та реакторний вік закрили станції в Орегоні та Вашингтоні, тоді як десятки ще більше націлені на протестувальників та екологічних груп. В даний час лише Китай розширює кількість атомних установок, оскільки прагне зменшити свою сильну залежність від вугілля (головний фактор його надзвичайно високого рівня забруднення) і шукає альтернативу імпорту нафти..

Побоювання

Страх перед ядерною енергією випливає з її крайнощів, як зброї, так і джерела живлення. Розділення реактора створює відходи, які є по суті небезпечними (див. Докладніше нижче) і можуть бути придатними для брудних бомб. Хоча деякі країни, такі як Німеччина та Франція, мають чудові результати роботи зі своїми ядерними установками, інші менш позитивні приклади, такі, як на островах Три милі, Чорнобилі та Фукусімі, змусили багатьох неохоче сприймати ядерну енергію, хоча це є багато безпечніше, ніж викопне паливо. Плавкі реактори в один прекрасний день можуть стати доступним, багатим джерелом енергії, який необхідний, але лише в тому випадку, якщо можуть бути вирішені екстремальні умови, необхідні для створення плавлення та управління ним..

Ядерні відходи

Побічний продукт поділу - це радіоактивні відходи, яким потрібні тисячі років, щоб втратити небезпечний рівень радіації. Це означає, що реактори ядерного поділу також повинні мати гарантії щодо цих відходів та їх транспортування до нежитлових сховищ або сміттєзвалищ. Детальніше про це читайте про поводження з радіоактивними відходами.

Природне виникнення

У природі злиття відбувається в зірках, таких як сонце. На Землі вперше досягнуто ядерного синтезу при створенні водневої бомби. Fusion також використовується в різних експериментальних пристроях, часто з надією виробляти енергію в контрольованому вигляді.

З іншого боку, поділ - це ядерний процес, який зазвичай не відбувається в природі, оскільки вимагає великої маси та падаючого нейтрона. Незважаючи на це, існували приклади поділу ядер у природних реакторах. Це було виявлено в 1972 р., Коли у родовищах шахти Окло, Габон було виявлено, що колись 2-х мільярдів років тому відбулася реакція природного поділу..

Ефекти

Якщо коротко, якщо реакція поділу вийде з-під контролю, або вибухне, або утворюючий її реактор розплавиться у велику купу радіоактивного шлаку. Такі вибухи чи розплави викидають у повітря та будь-яку сусідню поверхню (землю чи воду) тонни радіоактивних частинок, забруднюючи її щохвилини реакція триває. Навпаки, реакція синтезу, яка втрачає контроль (стає незбалансованою), сповільнюється і знижує температуру до тих пір, поки вона не зупиниться. Це відбувається з зірками, коли вони спалюють свій водень у гелії і втрачають ці елементи протягом тисячоліть вигнання. Плавлення утворює мало радіоактивних відходів. Якщо є якісь пошкодження, це станеться з найближчим оточенням термоядерного реактора та ще мало чим.

Набагато безпечніше використовувати синтез для отримання енергії, але поділ використовується тому, що для розщеплення двох атомів потрібно менше енергії, ніж для сплавлення двох атомів. Також технічні проблеми, пов'язані з контролем реакцій синтезу, ще не подолані.

Використання ядерної зброї

Вся ядерна зброя вимагає ядерної реакції поділу, але "чисті" бомби поділу, ті, що використовують лише реакцію поділу, відомі як атомні, або атомні, бомби. Атомні бомби були вперше випробувані в Нью-Мексико в 1945 році, в розпал Другої світової війни. Того ж року США застосували їх як зброю в Хіросімі та Нагасакі, Японія.

Оскільки атомна бомба, більшість запропонованих та / або сконструйованих ядерних озброєнь тим чи іншим способом посилили реакції поділу (наприклад, див. Прискорене ділення зброї, радіологічні бомби та нейтронні бомби). Термоядерна зброя - зброя, яка використовує як поділ і синтез на основі водню - один з найбільш відомих досягнень зброї. Хоча поняття термоядерної зброї було запропоновано ще в 1941 році, вперше було випробувано водневу бомбу (Н-бомбу) лише до початку 50-х років. На відміну від атомних бомб, водневі бомби мають ні використовувались у бойових діях, лише перевірені (наприклад, див. Цар Бомба).

На сьогоднішній день жодна ядерна зброя не використовує ядерний синтез поодинці, хоча урядові програми оборони поставили значні дослідження такої можливості.

Вартість

Розділення є потужною формою виробництва енергії, але воно має вбудовану неефективність. Ядерне паливо, як правило, Уран-235, дороге для видобутку та очищення. Реакція поділу створює тепло, яке використовується для кип'ятіння води для пари для перетворення турбіни, яка виробляє електроенергію. Це перетворення з теплової енергії в електричну енергію громіздке і дороге. Третє джерело неефективності полягає в тому, що очищення та зберігання ядерних відходів є дуже дорогим. Відходи є радіоактивними, потребують належного утилізації, і безпека повинна бути жорсткою, щоб забезпечити громадську безпеку.

Щоб відбулося злиття, атоми повинні бути обмежені в магнітному полі і підняті до температури 100 мільйонів Кельвінів і більше. Це вимагає величезної кількості енергії для ініціювання синтезу (атомні бомби та лазери, як вважається, забезпечують «іскру»), але є також необхідність належного утримання плазмового поля для довгострокового виробництва енергії. Дослідники все ще намагаються подолати ці виклики, оскільки синтез є більш безпечною та потужнішою системою виробництва енергії, ніж поділ, тобто це в кінцевому рахунку коштуватиме менше, ніж поділ..

Список літератури

• Fission і Fusion - Брайан Свертаут на YouTube
• Хронологія ядерної історії - Освітня база даних онлайн
• Ядерна стабільність і магічні числа - UC Davis ChemWiki
• Вікіпедія: Ядерний синтез
• Вікіпедія: Ядерний поділ